潞宁煤矿22117回风顺槽围岩控制技术研究与应用

王保国

（山西潞安集团潞宁忻峪煤业有限公司，山西 宁武 036706）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业22117工作面位于二二采区，工作面倾斜长度235 m，走向长度1 460 m，开采2号煤层，煤层均厚4.3 m，平均倾角4°，属稳定煤层，一般不含夹石，局部含1层夹石；顶板岩层为炭质泥岩和粉砂岩，底板岩层为泥岩和砂质泥岩；工作面采用一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板。22117回风顺槽主要为22117工作面提供通风、行人及运输的服务，巷道长度为1 460 m，巷道断面为矩形，净宽×净高=6 000 mm×4 700 mm，巷道断面相对较大，且顶底板岩层较为软弱，故为保障巷道在采动影响下围岩变形量满足使用要求，特进行围岩变形破坏机理及控制方案分析与设计。

2 围岩变形破坏机理

2.1 围岩变形破坏形式

1）两帮变形破坏形式：回采巷道开挖后，巷道围岩的应力会重新分布，巷道两帮会承载覆岩的自重载荷，两帮围岩强度较低时，围岩在水平应力的作用下发生弹塑性变形。进而在围岩内形成弹性区域塑性区，浅部围岩在应力作用下出现拉裂破坏，浅部围岩体的破坏会增大巷道的跨度，从而进一步加大顶底板的变形，两帮围岩变形破坏形式如图1所示。

图1 两帮围岩变形破坏示意图

根据22117工作面回采顺槽岩层赋存特征可知，巷道顶底板岩层较为松软，即顶底板相对不稳定，在该状态下两帮变形形态如图1（a）所示；另外巷道两帮围岩在水平应力和覆岩荷载的作用下会出现一系列的剪切破坏，由于两帮围岩相对较软弱，围岩在应力作用下会沿着节理面出现塑性剪切破坏，最终致使两帮围岩逐渐向巷道内部移动变形[1-3]，具体变形形式如图1（b）所示。

2）顶板变形破坏形式：回采巷道开挖后，顶板岩层在覆岩载荷和水平应力的影响下，岩层会产生一定的拉应力，当拉应力超过岩层自身所能承受的极限荷载时，此时顶板变形发生拉裂破坏[4]，根据22117回风顺槽两帮围岩不稳定的特征，顶板岩层在应力下拉伸变形、冒落形式如图2（a）所示；顶板剪切破坏形式如图2（b）所示。

图2 顶板岩层拉裂和剪切破坏示意图

2.2 变形破坏机理

根据22117回采顺槽的地质条件可知，巷道顶底板岩层较为软弱，巷道开挖后，应力会重新分布，围岩中的弱结构体会在应力作用下发生，进一步变形即表现为围岩的变形破坏，围岩中的弱结构体主要包括：岩性弱结构、几何弱结构和应力弱结构[5]；结合22117回风顺槽的地质条件，现主要对岩性弱结构进行分析，建立顶板复合岩性弱结构受力力学模型如图3所示，图中l为回采巷道的宽度；σh为顶板岩层所受的水平向地应力；σv为巷道围岩压力；h为巷道的高度。

图3 顶板弱结构受力力学模型图

根据图3中的力学模型，可计算推导出巷道上下边缘应力的表达式为：

式中：σ为巷道上下边缘应力；M为最大弯矩值；W为顶板抗弯截面系数；k为侧压力系数；d为顶板岩层厚度；其余符合含义同上。

巷道在覆岩荷载作用下，取顺槽方向单位厚度为研究对象，可计算得出顶板曲率半径表达式为[6]：

式中：ρ为顶板曲率半径；I为顶板的惯性矩，E为顶板围岩的弹性模量。

在顶板岩层变形时，各个岩层的曲率半径均相同，则有：

另外根据每个岩层所受弯矩之和即为总弯矩，即M=M1+M2+M3，结合式（2）～（3）可计算出各岩层弯矩表达式为：

进一步结合式（4）和（1），可得出巷道上下边缘的应力表达式为：

分析式（5）可知，回采巷道顶板岩层的受力状态主要受到水平地应力和围岩压力的影响，在工程实践中，回采巷道顶板的失稳破坏即为水平地应力和巷道围岩压力的共同作用结果，分析掌握围岩的受力状态是保障围岩稳定的基础。

3 围岩控制方案及效果

3.1 围岩控制方案

根据22117回风顺槽的地质条件，结合上述围岩变形破坏机理的分析结果，确定回风顺槽采用锚网索支护方案，具体支护参数如下：

1）顶板支护：采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆，规格为ϕ22 mm×2 100 mm，间排距为1 000 mm×900 mm，采用数值加长锚固，预紧扭矩为250 N·m；锚索采用高强度低松弛1×7股钢绞线，规格为ϕ17.8 mm×6 500 mm，间排距为2 500 mm×1 800 mm，锚索布置在2排锚杆的中间部位，采用树脂加长锚固，预紧力为150 k N，锚杆、锚索之间采用钢筋梯子梁进行连接，顶板表面采用8号铅丝网进行护顶。

2）两帮支护：回采帮采用玻璃钢锚杆，规格为ϕ22 mm×1 500 mm，间排距为1 000 mm×900 mm，锚固方式为端头锚固，预紧力矩为150 N·m，为方便回采作业的进行，表面采用塑料网进行护表；煤柱帮锚杆采用圆钢锚杆，规格为ϕ16 mm×1 500 mm，间排距为1 000 mm×900 mm，采用端头锚固，预紧扭矩为150 N·m，表面采用8号铅丝网进行护表。

具体22117回风顺槽的支护参数见图4。

图4 22117回风顺槽支护断面图

为确保22117回风顺槽支护方案的合理性，根据巷道的地质条件，采用F LAC3D数值模拟软件，建立长×宽×高=378 mm×100 mm×100 m的数值计算模型，固定模型底部位移，模型两侧固定其侧向位移，在模型顶部施加自重载荷的应力，并在水平方向施加水平荷载，模型建立完后，进行巷道的开挖支护作业。

根据数值模拟结果能够回风顺槽在现有支护方案下水平位移、竖直位移及塑性区分布状态如图5。

图5 巷道围岩位移及塑性区分布图

分析图5可知，巷道在该种支护方案下顶板下沉量和底板鼓起量的最大值分别为17.47 mm和11.81 mm，两帮移近量的最大值为23.3 mm，巷道顶底板及两帮变形量均较小，这即表明巷道采用该种支护方案可有效控制顶底板及两帮围岩的变形；另外从图5中能够看出，巷道在该种支护方案下顶板、底板及两帮塑性区最大深度分别为1.5、0.3、0.9 m，塑性区均位发育到锚杆锚固区域，可实现锚杆（索）主动支护对围岩的控制效果；基于上述分析可知，该种支护方案具有可行性，可保障围岩的稳定。

3.2 效果分析

为验证22117回风顺槽在现有支护方案下的围岩控制效果，根据数值模拟结果可知，掘进期间围岩变形量较小；为进一步验证支护效果，在工作面回采期间进行巷道围岩变形量的监测，测站布置在距离工作面前方100 m位置处，共计布置2个测站，具体围岩变形-距回采工作面距离曲线如图6所示。

图6 巷道围岩变形-距工作面距离曲线图

分析图6可知，随着工作面回采作业的进行，巷道顶底板及两帮变形量均逐渐增大，在监测断面与工作面间的距离大于65 m时，围岩变形量较小；小于65 m时，顶底板及两帮变形速率均逐渐增大；距离为20 m时，巷道断面处于超前支承压力的峰值区域，顶板下沉量最大为180 mm，两帮最大移近量为142 mm，巷道围岩变形量满足回采巷道使用要求。

4 结论

根据22117回风顺槽地质条件，通过理论分析进行围岩变形破坏机理的分析，得出顶板及两帮岩层拉伸及剪切破坏的形态，影响顶板岩层稳定的主要因素，结合围岩变形破坏机理进行锚杆（索）支护方案设计，并采用数值模拟验证支护方案可行性，根据工作面回采期间巷道围岩变形量可知，巷道在该支护方案下，围岩变形满足回采巷道使用要求，保障了巷道围岩的稳定。